Unkonventionelle Supraleitung: Der besondere Fall der Griffith-Singularität

Die Untersuchung von Quantenphasenübergängen, insbesondere der Quanten-Griffith-Singularität, wurde durch ein Team unter der Leitung von Jian-Hao Chen vorangetrieben, das dieses Phänomen in unkonventionellen hochtemperatursupraleitenden Einkristallen aus CaFe1-xNixAsF untersucht. Sie beobachteten robuste, von Magnetfeldern beeinflusste Quanten-Griffith-Singularitäten, was auf die potenzielle Universalität dieses Phänomens in dreidimensionalen und unkonventionellen Supraleitern hindeutet, was das Verständnis der Mechanismen der Hochtemperatursupraleitung verbessern könnte.

Ein neues Papier untersucht die Quanten-Griffith-Singularität in Phasenübergängen und konzentriert sich dabei auf aktuelle Studien, die unser Verständnis der Hochtemperatursupraleitung in unkonventionellen Materialien erweitern könnten.

Die Erforschung exotischer Quantenphasenübergänge ist seit langem ein zentraler Schwerpunkt in der Festkörperphysik. Ein kritisches Phänomen in einem Phasenübergang wird vollständig durch seine Universalitätsklasse bestimmt, die von räumlichen und/oder Ordnungsparametern bestimmt wird und unabhängig von mikroskopischen Details bleibt. Quantenphasenübergänge, eine Untergruppe der Phasenübergänge, treten aufgrund von Quantenfluktuationen auf und werden durch bestimmte Systemparameter an der Nulltemperaturgrenze abgestimmt.

Der Phasenübergang Supraleiter-Isolator/Metall ist ein klassisches Beispiel für einen Quantenphasenübergang, der seit mehr als 40 Jahren intensiv untersucht wird. Unordnung gilt als einer der wichtigsten Einflussfaktoren und hat daher große Aufmerksamkeit erhalten. Während der Phasenübergänge erfüllt das System normalerweise die Skalierungsinvarianz, sodass die Universalitätsklasse durch einen einzigen kritischen Exponenten gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu besteht die Besonderheit der Quanten-Griffith-Singularität darin, dass sie die traditionelle Skalierungsinvarianz durchbricht, wodurch exotische Physik entsteht.

Abbildung 1: Magnetfeldgetriebener Phasenübergang Supraleiter-Metall mit mehreren quantenkritischen Punkten in CaFe1-xNixAsF. Quelle: Science China Press

Die Physik der Griffiths-Singularität geht auf das Jahr 1969 zurück, als der amerikanische Physiker Griffiths eine Art Phasenübergang vorschlug, bei dem die Skalierungsinvarianz gebrochen wird. In diesem Fall tendiert der kritische Exponent dazu, zu divergieren, anstatt konstant zu bleiben. Die Quanten-Griffith-Singularität bezieht sich auf die Griffith-Singularität in einem Quantenphasenübergang.

Seit dem Vorschlag der Quanten-Griffith-Singularität wurde sie nur in herkömmlichen niedrigdimensionalen supraleitenden Filmen und in einigen dreidimensionalen Ferromagneten beobachtet. Die Existenz der Quanten-Griffith-Singularität in dreidimensionalen Supraleitern und in unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitern muss noch experimentell bestätigt werden. Eine solche Bestätigung wird Licht in das Verständnis der Mechanismen der unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitung bringen.

Abbildung 2: B–T-Phasendiagramm der Quanten-Griffiths-Singularität in einem dreidimensionalen anisotropen Supraleiter. Quelle: Science China Press

Kürzlich führte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Jian-Hao Chen, einem Forscher am International Center for Quantum Materials an der School of Physics der Peking University, der Beijing Academy of Quantum Information Sciences und dem Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices der Peking University, eine Studie über die Quanten-Griffith-Singularität in unkonventionellen hochtemperatursupraleitenden Einkristallen aus CaFe1-xNixAsF durch. Sie und ihre Mitarbeiter züchteten erstmals eine Reihe qualitativ hochwertiger, unterdotierter CaFe1-xNixAsF-Einkristalle und beobachteten die Entwicklung von quasi-zweidimensionalen zu dreidimensionalen anisotropen Quanten-Griffith-Singularitäten in den von Magnetfeldern angetriebenen Phasenübergängen zwischen Supraleiter und Metall.

Sie fanden eine robuste Quanten-Griffith-Singularität, die bis zu 5,3 K anhalten kann und in den Kristallen sowohl durch parallele als auch durch vertikale Magnetfelder induziert werden kann. Diese Studie zeigt nicht nur die Universalität der Quanten-Griffith-Singularität in dreidimensionalen und unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitungssystemen, sondern sagt auch die Möglichkeit voraus, Quanten-Griffith-Zustände in unkonventionelleren Hochtemperatur-Supraleitungsfamilien (z. B. nickel- und kupferbasierten Supraleitern) zu finden, was zu einem weiteren Verständnis der unkonventionellen Mechanismen der Hochtemperatur-Supraleitung beitragen könnte.